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國內扭矩傳感器的發展研究綜述

2016年12月15日11:44 閱讀:7253次
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     扭矩傳感器是扭矩測試中不可或缺的重要部分。它主要用來測量各種扭矩、轉速及機械功率,它將扭力的變化轉化成電信號,其精度關係到整個檢測係統的精度。扭矩傳感器在後麵的檢測係統中起著非常重要的作用,如果傳感器沒有高的精度,後麵的精度再高,也難以提高整個檢測係統的精度。因此,隨著對檢測係統精度及應用範圍要求的不斷提高,扭矩傳感器也在不斷地發展著。

     非接觸式扭矩傳感器無接觸、使用壽命長、無磨損、轉換精度高;非接觸式傳感器采用微電子測量,可靠性大幅提高,可在高轉速下進行扭矩測量;內藏控製電路,可以實現各種控製補償提高精度;通過無線發送和接收可以實現直接與數字儀表和計算機相聯。非接觸式扭矩傳感器主要包括應變式、磁彈性式、磁電式和光電式傳感器。

     1. 應變非接觸式傳感器發展研究情況

     應變非接觸式傳感器是從應變接觸式傳感器的基礎上發展起來的,它整合了已有的扭矩測量技術和方法,通過技術改進和革新,實現非接觸扭矩測量目標;它采用無線電遙測技術替代接觸式的用導電滑環和刷臂傳輸扭矩信息的非接觸式扭矩傳感器。下麵分別介紹應變非接觸傳感器的發展研究情況。

     1993年蘇州大學工學院研製的微型遙測扭矩儀。工作原理是把貼於軸上的應變橋路和大規模模擬集成電路5G7650的放大器、單片集成的V/f轉換器AD537的V/f電路及發射電路固定在轉軸上,其接收放大電路用飛利浦公司的TDA7021T調頻信號處理電路。此類扭矩傳感器利用無線傳輸的總精度約為0.5%。

     1994年航天工業總公司的第四十四研究所研製了CN15-1型轉矩轉速傳感器,為了提高傳感器的使用壽命和測量精度,它的轉矩測量電源傳輸采用了電感引電器機構,即用電磁感應現象來傳輸能源。它的工作原理和變壓器相似,初次級線圈分別繞在一個靜止和一個旋轉的磁芯上。CN15-1型傳感器是用光電計數-測頻法進行轉速測量的。CN15-1型傳感器的轉矩測量信號輸出運用電容引電器機構。

     1997年洛陽工學院和洛陽軸承集團公司共同研製了在線動態扭矩測試儀。它把檢測和發射電路集成在一塊20mm×35mm的印刷電路板上,與扭矩傳感器固接在一起。

     2. 磁彈性式傳感器發展研究情況

     基於鐵磁物質的壓磁效應製成了磁彈性式傳感器。某些鐵磁物質在外界機械力的作用下,其內部產生應力,從而引起磁導率的變化,這種現象稱為壓磁效應。反之,某些鐵磁物質在外界磁場力的作用下會產生變形,部分伸長,部分壓縮,這種現象稱為磁致伸縮。

     2001年華北工學院張豔花等研究一種新型磁彈傳感器。它提出一種新的測試方法,這種方法不借助塗層,直接測定軸材料應力。這種扭矩傳感器是在U形磁芯上繞上一組線圈,構成檢測磁頭,使用時將扭矩傳感器安裝在金屬表麵,由被測金屬和傳感器檢測磁頭的磁芯共同構成一個磁路,通過測量閉合磁路磁阻的改變,從而測得扭應力的變化。

     2001年中國礦業大學設計了一種適用於煤礦生產中的逆磁致伸縮效應扭矩傳感器,這種扭矩傳感器由外罩、激勵線圈和測量線圈、激勵鐵心和測量鐵心、調節裝置和鐵心固定架等組成。兩個有相同截麵形狀的U型鐵心呈十字交叉安放,各個磁極上分別繞有測量線圈和激勵線圈,其中激勵線圈和測量線圈的兩個磁極所在平麵與被測軸線平行和垂直。兩對磁極與被測軸表麵之間有氣隙,≥1mm。當激勵線圈接交流電壓時,在被測軸表麵的對應部分產生相應磁場,由於材料的各向同性,當軸無扭矩作用時,此磁場具有對稱性,磁橋處於平衡,測量線圈中就會有感應電勢產生;當軸受有扭矩作用時,軸體表麵磁場就會失去對稱性,磁橋平衡被打破,於是在測量線圈中就有感應電動勢產生。再根據輸出電壓與被測軸扭矩的關係就可得到要測的扭矩值。

     3. 磁電式傳感器發展研究情況

     磁電式傳感器是依據磁電轉換和相位差原理製成的。它將扭矩值轉換成有相位差的電信號,因而實現扭矩的測量。

     2005年重慶工學院遠程測試與控製技術研究所研究了一種基於螺管形差動變壓器的非接觸式扭矩傳感器。其工作原理是當軸受到扭矩作用時,軸會產生轉角,當軸產生轉角時,凸塊在銜鐵內部運動將軸的轉角轉化為銜鐵的軸向位移,進而轉換為次級線圈的感應電動勢。

     2009年淮海工學院機和江蘇海洋資源開發研究院共同研製了一種新型磁電感應式動態非接觸扭矩傳感器,它是在轉軸表麵附著一條薄帶,其磁導率遠大於晶態合金Co基非晶態合金薄帶,它的軸向和徑向尺寸與傳感器鐵心尺寸相符,厚度為0.035mm。扭矩傳感器探頭采用了“E”字型磁極,兩側為測量磁極,中間為激勵磁極。當激磁繞組通入頻率的激磁電流時,形成閉合磁路;當傳感器探頭與非晶態合金薄帶和轉軸正對時,由於氣隙的變化,磁路中的磁阻會發生變化,進而引起磁通變化,導致測量繞組中感應電壓的變化。確定出兩測量線圈輸出感應電壓的相位差就可以計算出轉軸所受扭矩的大小。.

     4. 光電式傳感器發展研究情況

     光電式扭矩傳感器的主要部件有光源和光電元件。當傳動軸受力時,光電元件把光源得到的光強度變化轉換成輸出脈衝電流的變化,通過電流的變化的測量來實現扭矩的測量。2006年重慶大學的光電技術及係統教育部重點實驗室研究了一種光柵扭矩動態測量係統。它是在主軸兩端各安裝一對與主軸相連的主光柵和與光電三極管固定在一起的指示光柵,通過形成莫爾條紋,照射到光電三極管上。光電三極管實現光信號和電信號的轉換。當主軸受力時兩個光電三極管產生的電信號會因為光的衍射而具有的相位差。通過對相位差的處理可以得到所需的扭矩值。

 

     文章轉自:宋春華,徐光衛.扭矩傳感器的發展研究綜述[J].微特電機,2012(11):58-60

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